基于LoRa的蔬菜大棚远程监控系统设计

杨秀增 黄秀梅 宋俊慷 肖丽玲

（广西民族师范学院物联网技术集成与应用重点实验室，广西崇左 532200）

蔬菜最重要的营养作用是为身体提供VC、胡萝卜素、矿物质和膳食纤维。随着生活水平的不断提高，人们每天对新鲜蔬菜的需求量日益增大，传统季节性蔬菜已无法满足人们的需求[1-4]。依靠现代科学技术，大力推广蔬菜大棚，大规模种植新鲜蔬菜，是目前现代农业发展的必然趋势[5-6]。在蔬菜大棚中种植蔬菜，要实时监测调节大棚内的温度、湿度、光照强度、CO2浓度，从而获得蔬菜的最佳生长条件，达到高产、高效、优质和生态的目的。因此，根据蔬菜生长的最佳环境要求，开发蔬菜大棚实时在线自动化监控设备，对提高蔬菜品质和菜农收益具有重要的现实意义[7-8]。

本文针对传统有线监测设备的缺点，设计一套物联网蔬菜大棚实时在线远程监控系统。采用LoRa无线传输技术，实现蔬菜大棚环境参数的长距离传输，把蔬菜大棚环境参数通过自建的LoRa网络传回到集中器，集中器再通过RGPS网络把节点数据传到服务器，用户可通过移动终端查看监测数据和控制设备。该系统能真正实现蔬菜大棚环境参数远程监控，提高蔬菜大棚管理水平。

1 系统总体方案设计

图1为系统总体设计框图。该设计由蔬菜大棚采集及发射终端、数据集中器、服务器和监控数据中心四大部分组成。蔬菜大棚采集及发射终端由传感器及驱动电路、单片机控制器和LoRa通信模块组成。蔬菜大棚采集及发射终端被部署在蔬菜大棚内，在终端上安装温度、湿度、光照强度、CO2浓度传感器。在单片机的控制下，这些传感器实时采集蔬菜大棚的环境参数。这些环境参数通过LoRa通信模块发送到数据集中器。数据集中器是数据汇集中心，主要由LoRa通信模块和STC15控制器、GPRS通信模块组成。数据集中器中的LoRa通信模块能与各蔬菜大棚中的节点LoRa通信模块进行无线连接，组成一个星型无线通信网络。STC15控制器是数据集中器的控制中心，负责星型无线通信网络的建立和控制命令的发送。GPRS通信模块负责与通信子网的连接与通信。

2 硬件设计

2.1 大棚采集终端硬件设计

该大棚采集终端硬件主要由STC15W 4K32S4单片机、RS232/485转换电路、CO2传感器、光照传感器、湿度传感器、温度传感器、继电器驱动电路、继电器、输入键盘、LoRa通信模块、数码管驱动电路、数码管显示模块、光伏板组件、电源管理模块和锂电池等硬件组成。每个采集终端采用太阳能光伏板供电，当白天太阳光充足时，光伏板组件产生的电能通过电源管理模块被储存在锂电池中。单片机采用宏晶科技生产的高速单片机STC15W4K32S4芯片，该单片机内置4个高速异步串口通信端口，能很好地满足本设计要求。由图2可知，UART0连接LoRa通信模块用于蔬菜大棚环境参数数据无线发送，UART1连接RS232/485转换电路用于蔬菜大棚环境参数数据的采集，UART2连接数码管驱动芯片的输入端口用于蔬菜大棚环境参数的显示，输入键盘用于设置蔬菜大棚的控制参数值。当单片机读到的蔬菜大棚当前各项环境参数值与预设参数值不一致时，单片机启动加湿机、风机和卷帘机等调节设备进行调节。当大棚内CO2浓度高于CO2的设置值时，风机被打开；当大棚内湿度低于湿度设置值时，加湿机被打开，加湿器对蔬菜大棚内的空气进行加湿。

2.2 数据集中器硬件电路设计

蔬菜大棚数据集中器主要由控制器、触摸屏显示器、MAX232接口、GPRS通信模块、LoRa通信模块等组成（图3）。控制器采用高速单片机STC15W4K32S4。STC15W4K32S4单片机是宏晶公司2014年推出的1T单片机，工作电压为2.5～5.5 V，具有工作稳定、抗干扰强等特点。更为重要的是，STC15W4K32S4单片机内置的外设资源丰富，具有4个全双工异步串行通信口（UART）、7个定时器、8个脉宽调制器（PWM）、8路10位模数转换器和1路SPI串行通信器。这些外设资源很适合开发本系统的数据集中器。STC15W4K32S4单片机的异步串行通信口UART0与MAX232接口芯片相连，能与PC机通信，主要用于程序下载和设备调试。STC15W4K32S4单片机异步串行通信口UART1与LoRa无线通信模块输入端相连，通过LoRa无线通信模块能与大棚采集终端通信。STC15W4K32S4单片机异步串行通信口UART2与触摸屏显示器相连，用于显示从大棚采集终端发回来的数据。STC15W4K32S4单片机异步串行通信口UART3与GPRS通信模块相连，通过此模块单片机把采集到的数据发到数据监控中心。

3 软件设计

3.1 数据集中器程序设计

图4为数据集中器主程序算法流程图。当单片机上电时，单片机开始执行程序，设置好LoRa模块的工作频段和工作方式，建立LoRa无线网络。打开异步串行通信口UART1，用于接收蔬菜大棚采集节点的发回数据。设置并启动定时器1，当定时时间到时，单片机执行定时器1中断服务子程序，向各蔬菜大棚采集节点周期性地发送器数据发回命令。当数据发回命令发送后，单片机执行一段延时子程序，等待采集节点发回数据。延时程序执行完成后，单片机查询串口1在单片机延时等待这段时间内是否接收到新的由蔬菜大棚采集节点发回的数据，如果有新的数据，单片机把接收到的数据存放在数据链表中；如果没有收到新的数据，说明此蔬菜大棚采集节点出现故障。再判断所有节点是否采集完成，如果所有采集节点采集完成，节点地址清零，微处理器把所有数据以数据包形式通过GPRS通信模块发送服务器，以便远程用户通过智能终端查询、统计和分析。

3.2 蔬菜大棚采集终端程序设计

图5为蔬菜大棚采集终端的主程序算法流程图。当单片机上电时，单片机首先执行一段初始化程序，设置好LoRa通信模块的工作频段和工作模式，完成与数据集中器的无线连接，为无线通信做好准备。执行串口0初始化程序，允许串口0中断，为接收数据集中器数据做好准备。启动定时器T0，为周期性采集蔬菜大棚环境参数做好准备。此时单片机判断定时器T0定时是否达到，如果达到，单片机设置数据采集事件，让单片机执行数据采集程序，读取蔬菜大棚中每个传感器的值，并把读到的数据存放在单片机内存中。读取参数完成之后，单片机设置设备工作状态更改事件，让单片机执行设备状态更改程序，单片机根据读到的蔬菜大棚环境参数值，与预设值进行比较，依据比较结果，打开相应的蔬菜大棚内的设备工作，调节蔬菜大棚内的环境参数达到最佳。之后，单片机查询串口0的数据接收链表中是否有从数据集中器发来的发送数据命令。如果收到该命令，单片机把蔬菜大棚的环境参数以数据包的形式通过LoRa无线网络发送到数据集中器。

4 系统测试

为了验证系统性能，根据以上技术方案完成样机设计，传感器都选用普锐森社传感器，这些传感器采用485标准ModBus-RTU通信协议，其通信地址及波特率可通过官方提供的上位机参数设定程序设置，具有工作稳定、精度高、外壳防护等级高等优点，广泛应用于农业大棚、花卉培养温室、农业大田、电子设备生产线等。试制的样机上电后，打开手机中安装好的本系统App程序，样机工作稳定之后，对显示的界面进行截图。图6为数据集中器LCD上看到的蔬菜大棚发回的数据界面。此外，在手机App界面可看到蔬菜大棚0#的1 h内湿度变化情况。

5 结语

随着生活水平的提高，人们对新鲜蔬菜的需求量很大，传统人工栽培蔬菜的方式已无法适应新形势的发展需求，因而蔬菜大棚具有很大的应用前景。本文利用现代自动控制技术和物联网技术，设计一套物联网蔬菜大棚实时在线远程监控系统，实现蔬菜大棚环境参数的自动采集、传输以及环境参数的自动调节和远程实时监控，大幅减少人工参与，减轻菜农工作量，有利于提高菜农的经济效益。